Uma nova estratégia para o design de metasuperfície ativa fornece uma metasuperfície ajustável de fase completa de 360 graus
Figura 1. A metasuperfície projetada pela equipe que demonstra a modulação de fase sintonizável 2π completa utilizando o cruzamento evitado de duas ressonâncias. Crédito:Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST)
Uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo professor Min Seok Jang do KAIST e pelo professor Victor W. Brar da Universidade de Wisconsin-Madison demonstrou uma metodologia amplamente aplicável que permite uma modulação de fase ativa completa de 360° para metasuperfícies, mantendo níveis significativos de amplitude de luz uniforme . Essa estratégia pode ser aplicada fundamentalmente a qualquer região espectral com quaisquer estruturas e ressonâncias que se encaixem.
Metasurfaces são componentes ópticos com funcionalidades especializadas indispensáveis para aplicações da vida real, desde LIDAR e espectroscopia até tecnologias futuristas, como capas de invisibilidade e hologramas. Eles são conhecidos por sua natureza compacta e de tamanho micro/nano, o que permite que sejam integrados a sistemas eletrônicos computadorizados com tamanhos cada vez menores conforme previsto pela lei de Moore.
Para permitir tais inovações, as metasuperfícies devem ser capazes de manipular a luz incidente, manipulando a amplitude ou a fase da luz (ou ambas) e emitindo-a de volta. No entanto, modular dinamicamente a fase com a faixa de círculo completo tem sido uma tarefa notoriamente difícil, com muito poucos trabalhos conseguindo fazê-lo sacrificando uma quantidade substancial de controle de amplitude.
Desafiado por essas limitações, a equipe propôs uma metodologia geral que permite que as metasuperfícies implementem uma modulação de fase dinâmica com a faixa de fase completa de 360°, mantendo uniformemente níveis significativos de amplitude.
A razão subjacente para a dificuldade de alcançar tal feito é que há uma troca fundamental em relação ao controle dinâmico da fase óptica da luz. Metassuperfícies geralmente realizam tal função através de ressonâncias ópticas, uma excitação de elétrons dentro da estrutura da metasuperfície que oscila harmonicamente junto com a luz incidente. Para poder modular em toda a faixa de 0 a 360°, a frequência de ressonância óptica (o centro do espectro) deve ser sintonizada em grande quantidade, enquanto a largura da linha (a largura do espectro) é mantida no mínimo . No entanto, para sintonizar eletricamente a frequência de ressonância óptica da metasuperfície sob demanda, é necessário haver um influxo e saída controláveis de elétrons para a metasuperfície e isso inevitavelmente leva a uma largura de linha maior da ressonância óptica acima mencionada.
Figura 2. a:Trajetórias de coeficientes de reflexão complexos com diferentes valores de mobilidade para o caso da folha de grafeno. A modulação de fase 2π completa não ocorre sem o cruzamento evitado com plasmons de grafeno, apesar das crescentes mobilidades e, portanto, das larguras de linha decrescentes. b:Trajetórias de coeficientes de reflexão complexos com diferentes valores de mobilidade para a caixa de fita de grafeno. Crédito:Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST)
O problema é ainda agravado pelo fato de que a fase e a amplitude das ressonâncias ópticas estão intimamente correlacionadas de uma maneira complexa e não linear, tornando muito difícil manter um controle substancial sobre a amplitude ao mudar a fase.
O trabalho da equipe contornou os dois problemas usando duas ressonâncias ópticas, cada uma com propriedades especificamente designadas. Uma ressonância fornece o desacoplamento entre a fase e a amplitude para que a fase possa ser sintonizada enquanto níveis significativos e uniformes de amplitude são mantidos, além de fornecer uma largura de linha estreita.
A outra ressonância fornece a capacidade de ser suficientemente sintonizada em grande grau para que a faixa de círculo completo da modulação de fase seja alcançável. A quintessência do trabalho é então combinar as diferentes propriedades das duas ressonâncias através de um fenômeno chamado cruzamento evitado, de modo que as interações entre as duas ressonâncias levem a uma amálgama das características desejadas que atinge e até supera a modulação de fase completa de 360° com amplitude uniforme.
O professor Jang disse:"Nossa pesquisa propõe uma nova metodologia em modulação de fase dinâmica que rompe os limites e compensações convencionais, sendo amplamente aplicável em diversos tipos de metasuperfícies. Esperamos que essa ideia ajude os pesquisadores a implementar e realizar muitas aplicações-chave de metasuperfícies, como LIDAR e hologramas, para que a indústria de nanofotônica continue crescendo e proporcione um futuro tecnológico mais brilhante."
O trabalho de pesquisa de autoria de Ju Young Kim e Juho Park, et al., e intitulado "Modulação de fase 2π ajustável completa usando cruzamento de ressonâncias evitado" foi publicado em
Nature Communications em 19 de abril.
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